数控系统的选配

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随着科学技术的发展，机械制造技术有了深刻的变化。由于社会对产品多样化的需求更加强烈，多品种、中小批量生产的比重明显增加，采用传统的普通加工设备已难以适应高效率、高质量、多样化的加工要求。机床数控技术的应用，大大缩短了机械加工的前期准备时间，并使机械加工的全过程自动化水平不断提高，同时也增强了制造系统适应各种生产条件变化的能力。
+ [) H: v# Z. v. G3 w, z, f数控机床的基本组成包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制装置、反馈系统及机床本体。加工程序可由人工编写(如车床数控系统加工简单工件时)，复杂的加工要求可在计算机上进行绘图(如铣床及加工中心加工曲面工件时)，然后生成加工程序。程序的输入可由数控系统的面板进行手工输入，也可通过计算机的通讯口用电缆进行传输，也可以用计算机USB接口进行传输。
/ V7 x7 C) N9 R在选购数控机床时可从三个方面考虑，首先是机床本体能否符合自己的加工要求，机床的质量如何。其次是数控系统，数控系统有很多种类，选择合适的系统是选购数控机床的关键。最后是驱动单元，也是机床控制的关键，不同的驱动单元能达到的加工精度也不一样，在选择驱动单元时，要根据加工的工件的精度要求选择合适的驱动单元。
0 q8 I4 [1 b2 `) @# T$ T/ W以下从数控系统及驱动单元两个方面进行分析：
: t  f# d$ `6 ?- g% I+ N4 z一 数控系统的选配
6 w! D# x7 V+ n/ q5 E& d数控系统是数控机床的“大脑”，对机床控制信息进行运算及处理。根据数控系统的原理可分为经济型数控系统和标准型数控系统两大类。
1. 经济型数控系统
2 G2 }7 U  G; |  `# q8 u; F1 F$ f: F& C经济型数控系统从控制方法来看，一般指开环数控系统，具有结构简单、造价低、维修调试方便、运行维护费用低等优点，但受步进电机矩频特性及精度、进给速度、力矩三者之间相互制约，性能的提高受到限制。所以，经济型数控系统常用于数控线切割及一些速度和精度要求不高的经济型数控车床、铣床等，在普通机床的数控化改造中也得到广泛的应用。
开环数控系统是指数控系统本身不带位置检测装置，由数控系统送出一定数量和频率的指令脉冲，由驱动单元进行机床定位。开环系统在外部因素影响的情况下，机床不动作或动作不到位，但系统已当机床到达了指定位置，此时机床的加工精度将大大降低。但因其结构简单、反应迅速、工作稳定可靠、调试及维修均很方便，加之价格十分低廉，因此目前在国内至今仍有最大的市场。
+ n" R) o- L- C+ b; z: F! l2. 标准型数控系统
" u4 c. q# {8 @/ r6 s: l8 ~标准型数控系统包括半闭环数控系统和全闭环数控系统。
" ]" Q7 `( A9 N3 d! T. A半闭环数控系统一般指机床的伺服电机的位置信号(光电编码器)反馈到数控系统，系统能自动进行位置检测和误差比较，可对部分误差进行补偿控制，因此其控制精度比开环数控系统要高，但比全闭环的数控系统要低。
, N2 i3 Z5 ?8 z2 j" l2 E全闭环数控系统除包括机床的伺服电机的位置反馈外，还有机床工作台的位置检测装置(通常用光栅尺)的位置信号反馈到系统，从而形成全部位置随动控制，系统在加工过程中自动检测并补偿所有的位置误差。
全闭环数控系统的加工精度是最高的，但这种系统的调试、维修极其困难，而且系统的价格很高，只适用于中、高档的数控机床上。
3 N8 r- g+ }) }9 B+ ?% Q因为开环控制系统的价格比闭环控制系统要低得多，因此在选择数控系统时，要考虑数控系统占整台数控机床的价格成本比例，然后根据机床的配置情况及机床本身的要求，中、低档机床采用开环控制系统，中、高档机床采用闭环控制系统。
4 ?2 G* b3 u) _二 驱动单元的选配
驱动单元包括驱动装置和电机两部分，对驱动单元的选购主要在于驱动装置的选择，因为电机是通用的部件，性能差别只存在于不同的厂家和型号。
% e$ A5 `7 t" ~" D驱动电机主要可分为：反应式步进驱动电机、混合式(也称永磁反应式)步进驱动电机和伺服驱动电机三大类。
0 r5 d" m2 v/ D# b0 ]反应式步进驱动电机的转子无绕组，由被励磁的定子绕组产生反应力矩实现步进运行。混合式步进电机的转子用永久磁钢，由励磁和永磁产生的电磁力矩实现步进运行。步进电机受脉冲的控制，通过改变通电的顺序可改变电机的旋转方向，改变脉冲的频率可改变电机的旋转速度。步进电机有一定的步距精度，没有累积误差。但步进电机的效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太大，调速范围不大。目前步进电机可分为两相、三相、五相等几种，常用的是三相步进电机，如广州数控的DY3A即是三相混合式步进驱动器。在过去很长一段时间里，步进电机占很大的市场，但目前正逐步为伺服电机所取代。
目前常用的伺服电机是交流伺服电机，在电机的轴端装有光电编码器，通过检测转子角度用以变频控制。从最低转速到最高转速，伺服电机都能平滑运转，转矩波动小。伺服电机有较长的过载能力，有较小的转动惯量和大的堵转转矩。伺服电机有很小的启动频率，能很快从最低转速加速到额定转速。
采用交流伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度，高性能的半闭环或闭环控制系统。由于交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前已经在很大范围内取代了直流伺服电机。采用高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的全数字化交流伺服系统出现后，原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的性能，因此伺服单元能较大的提高加工效率及加工精度，但伺服驱动单元的价格也较高。随着伺服控制技术的逐步提高，目前伺服驱动单元正逐步成为驱动单元的主力军，伺服驱动单元的价格也在逐步减低。
/ a+ c! P% I" k! J5 O+ n7 X% t. e# U伺服驱动器有两种。一种采用脉冲控制方式，此种驱动器与电机闭环，但不反馈到数控系统，这种驱动器在某种程度上可称为开环控制的伺服控制。另一种采用电压控制方式，通过电压的高低进行电机的转速控制，电机的反馈信号通过驱动器反馈到数控系统进行位置控制。
选择驱动单元时，也要考虑驱动单元的价格在整台数控机床中的比例。整台数控机床价格较低的一般选择步进驱动单元，而价格较高的机床选择伺服驱动单元。但选择驱动单元的同时，也要考虑驱动单元与数控系统的匹配问题，选择闭环控制系统时必须选择闭环的伺服驱动单元。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
三 功能选择
* f0 v9 g/ h8 V  B以上是根据数控系统的加工精度进行考虑，除此以外，还要从数控系统的功能选择上考虑。
# s. }( X% j/ F% A' O) m' [& f1. 控制轴
数控系统控制轴的数量也是选择的关键。控制轴可分为直线进给轴和旋转轴，按控制轴的数量可分为两轴联动、三轴联动、多轴联动等。控制轴的数量越多，机床所能加工的形状越复杂，但其成本就越高。目前车床一般用两个直线移动轴联动，有时会附加一个直线移动轴或旋转轴。铣床一般用三个直线移动轴联动，有时会附加一个直线移动轴或旋转轴。高档的系统则联动的轴更多，代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，其中三个轴为直线移动轴，两个旋转轴，五轴联动时可加工出复杂的空间曲面。当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持，对机床的要求也极高。
' E5 K6 c! z) f( b: K# ?控制轴越多，数控系统的价格成几何级数增长。因此，在选择数控系统时，要根据机床本身的运动轴进行选择，多余的控制轴并不能提高机床的控制精度，反而增加了数控系统的成本。
; s6 S9 i/ U4 u8 Q4 l2. 图形显示
# t+ k  I! _7 E; u) h7 H系统的图形显示功能，该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛坯上的切削路径，可以选择直角坐标系中的二个不同平面，也可选择不同视角的三维立体，可以在加工的同时作实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工过程的快速描绘，是一种检验零件加工程序，提高编程效率和实时监视的有效工具。
2 S, v+ j  K- p+ H, B; b+ o. a3. DNC传输功能
众所周知，由非圆曲线或面组成的零件加工程序的编制是十分困难的，通常的办法是借助于通用计算机的计算，将它们细分为微小的三维直线段组成的加工程序，在模具加工中这种长达几百KB的加工程序是经常遇到的，而一般数控系统提供的程序存储容量为64~128KB，这给模具加工带来很大困难。DNC通讯功能具有两种工作方式，其一是一次地将通用计算机中的程序传送到数控系统的加工程序的存储区内(如果它的容量足够大的话)，其二是将通用计算机中的程序一段一段地传送到数控系统的缓冲存储器中，边加工边传送，直到加工结束。彻底解决了大容量程序零件的加工问题，虽然选用这项功能需要增加一定的费用，但它确实是一项实用功能，因此建议在选择数控系统时将DNC传输功能选做必备功能。
  V$ ^; C1 X; M3 |( k- m4. 刚性攻丝
7 X* c, d0 h# @+ ^攻螺纹是数控机床的一项常用功能，到底采用什么方式是一个值得考虑的问题。刚性攻螺纹功能必须采用伺服电机驱动主轴，不仅要求在主轴上增加一个位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙和惯量都有严格地要求，电气设计和调整也有一定的工作量，所以这个功能的成本是不能忽略的。对用户来说，如果可以通过采用弹性缩卡头进行柔性攻螺纹，或者机床本身的转速并不高时，就不必选用刚性攻螺纹功能。
) A9 [) N# a. y上述这类问题在数控机床的功能配置时是经常遇到的，作为一个数控机床的设计和销售人员必须清楚了解数控系统的各种功能用途，根据机床的实际情况为用户配置经济合理、功能和价格比都比较高的数控机床，减少不必要的浪费。
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